پودر کننده جدید آزمایشگاه ایمز موادی را برای توربین های گازی نسل بعدی و نیروی همجوشی باز می کند.

نیوزویز – آزمایشگاه ملی آمز وزارت انرژی ایالات متحده برای بیش از 40 سال پیشرو در سنتز پودر فلز و متالورژی بوده است. اکنون، آزمایشگاه ایمز در حال ساخت این تجربه با یک سیستم اتمیزه کردن پودر فلز نسوز جدید است که به محققان کمک می کند موادی را برای کاربرد در محیط های شدید، مانند توربین های گاز و سیستم های قدرت همجوشی توسعه دهند.

جردن تیارکس، دانشمند آزمایشگاه ایمز، گفت: «آزمایشگاه ایمز سابقه طولانی در تولید پودرهای تخصصی دارد که جاهای دیگر قادر به انجام آن نیستند. این سیستم بر روی آن پایه بنا می‌شود، اما ما را به یک رژیم دما و مواد جدید سوق می‌دهد که تا حد زیادی دست نیافتنی است.»

فلزات پودری برای صنعت آمریکا حیاتی هستند زیرا امکان ساخت دقیق اجزای پیچیده و آلیاژهای تخصصی را فراهم می‌کنند که ساخت آنها با استفاده از روش‌های سنتی دشوار یا حتی غیرممکن است. سیستم جدید به شکاف مهمی در توانایی کشور در تامین مواد پودری برای آلیاژهای با ذوب بالا می‌پردازد.

این سیستم جدید می تواند مواد را در دمای 3400 درجه سانتی گراد با نرخ تولید تا یک کیلوگرم در دقیقه پردازش کند. این قابلیت‌ها محققان را قادر می‌سازد تا مقادیر پودر مورد نیاز برای توسعه، آزمایش و مقیاس‌بندی مواد جدید را برای محیط‌های شدید تولید کنند و به تسریع پذیرش آنها توسط صنعت ایالات متحده کمک کند.

چرا پودر فلزات نسوز؟

در حال حاضر، توربین‌های گازی زمینی و فضایی از سوپرآلیاژهای نیکل یا کبالت ساخته می‌شوند. آنها به سیستم های خنک کننده پیچیده و پوشش های سد حرارتی گران قیمت نیاز دارند تا در دماهای بسیار بالا مورد نیاز برای عملکرد بهینه کار کنند. برای بهبود عملکرد و کاهش نیازهای خنک کننده، محققان به دنبال آلیاژهای جدیدی هستند که بتوانند در شرایط دمایی شدید مقاومت کنند.

فلزات نسوز مانند تنگستن، مولیبدن، نیوبیم و وانادیم دارای نقطه ذوب بسیار بالایی هستند و می توان از آنها برای ایجاد آلیاژهایی استفاده کرد که می توانند در دماهای بسیار بالاتر از فلزات معمولی کار کنند. متأسفانه، ماشینکاری آلیاژهای نسوز به اشکال مفیدی مانند پره های توربین یا سایر اجزای پیچیده با استفاده از روش های سنتی بسیار دشوار است. متالورژی پودر می تواند بر بسیاری از این چالش های تولید غلبه کند، اما به پودرهای فلزی باکیفیت نیاز دارد که تولید آن ها تمرکز اصلی این تحقیق است.

یکی از اهداف برنامه ULTIMATE ARPA-E توسعه آلیاژها و پوشش ها برای اجزای نسل بعدی توربین است. در مراحل اولیه این برنامه، محققان از محاسبات پیشرفته و برنامه‌های طراحی مبتنی بر هوش مصنوعی برای یافتن مواد جدید امیدوارکننده برای این برنامه‌ها استفاده کردند. با این حال، آنها اغلب برای به دست آوردن پودرهایی در مقیاس و کیفیت مورد نیاز برای آزمایش و تأیید این مواد تلاش می کنند.

Tiarks گفت: “تیم ها ایده های خوبی روی کاغذ داشتند، اما بیش از یک سال منتظر ماندند تا پودرهای مورد نیاز خود را برای آزمایش به دست آورند.” “ARPA-E متوجه شد که نه تنها آلیاژهای جدید ندارد، بلکه به تجهیزاتی نیز دسترسی دارد که قادر به تولید مقادیر کافی پودر با کیفیت بالا از این آلیاژها برای تحقیق و توسعه هستند. آزمایشگاه ایمز مکانی طبیعی برای ایجاد این قابلیت بود، زیرا ما برای دهه‌ها متالورژی پودر در سطح بالا انجام می‌دهیم.”

نحوه عملکرد تجهیزات جدید

ساخت آلیاژهای نسوز با استفاده از روش‌های سنتی ریخته‌گری، آهنگری و ماشین‌کاری، به‌ویژه هنگام ساخت اجزای پیچیده، دشوار است. متالورژی پودر یک رویکرد جایگزین را ارائه می دهد که آلیاژها و طراحی اجزای جدید را ممکن می سازد. با این حال، بسیاری از سیستم های اسپری برای رسیدگی به این مواد با دمای بالا طراحی نشده اند. تجهیزات موجود آزمایشگاه ایمز با محدودیت های دما و سازگاری مواد مواجه هستند که می تواند تولید آلیاژهای نسوز را دشوار کند.

سیستم جدید در آزمایشگاه ایمز با استفاده از فرآیند پلاسمای قوس انتقالی بر این محدودیت غلبه می کند. این سیستم به جای نیاز به الکترود سفارشی ساخته شده، از پلاسمای پرانرژی برای ذوب موضعی مواد اولیه قبل از اتمیزه شدن استفاده می کند. ماده خام برای این فرآیند می تواند به هر شکل فیزیکی، از جمله چوب و قطعات باشد، تا زمانی که مواد دارای ترکیب ثابتی در سراسر آن باشند.

ذوب در یک اجاق مسی با آب خنک می شود که به لایه بیرونی مواد مذاب اجازه می دهد تا در برابر مس منجمد شود و یک لایه محافظ نازک از مواد جامد تشکیل دهد. این لایه (به نام “جمجمه”) به عنوان روکشی بین مواد مذاب فوق داغ و مس خنک شده عمل می کند.

بخش مهم دیگر فرآیند این است که تنها حجم کمی از مواد در هر زمان ذوب می شود.

تیارکس توضیح داد: «ذوب محلی دو مزیت بزرگ به ما می دهد. “اول، ایمن تر است-اگر مشکلی پیش بیاید، شما یک خمره عظیم فلزی 3400 درجه برای مدیریت ندارید. دوم، این ماده زمان کمتری را در دمای بالا می گذراند، که به ما کمک می کند خلوص را حفظ کنیم و واکنش پذیری را کنترل کنیم.”

حرکت رو به جلو

محققان در حال حاضر در حال آموزش با تجهیزات جدید با استفاده از آلیاژهای تیتانیوم تجاری هستند و به موادی از جمله سوپرآلیاژهای مبتنی بر مولیبدن و نیکل گسترش خواهند یافت. این مواد به اپراتورها کمک می کند تا عملکرد سیستم را ترسیم کنند. آنها سپس بر تولید پودر برای پروژه های تحقیقاتی متمرکز خواهند شد که اجزای توربین نسل بعدی، سیستم های قدرت همجوشی و دیگر کاربردهای محیطی شدید را هدف قرار می دهند. یکی از کاربردها، تحقیقات مداوم مواد همجوشی آزمایشگاه ایمز، از جمله همکاری با آزمایشگاه ملی شمال غرب اقیانوس آرام برای توسعه مواد ساختاری پیشرفته برای سیستم‌های قدرت همجوشی است. این کار بر روی موادی متمرکز است که قادر به زنده ماندن در شرایط شدیدی است که در اولین دیوار یک راکتور همجوشی با آن مواجه می‌شویم.

نبولایزر نسوز طیفی از نبولایزرها را در آزمایشگاه ایمز تکمیل می کند. طراحی شده برای موادی که به دمای پردازش بسیار بالاتری نیاز دارند، توانایی آزمایشگاه را برای تولید پودر از فلزات و آلیاژهای نسوز افزایش می دهد. برای آلیاژهای معمولی که می‌توانند در دماهای پایین‌تر پردازش شوند، اتمی‌سازهای القایی موجود در آزمایشگاه ایمز و اتمی‌سازهای نزدیک به آن، گزینه کارآمدتری هستند. این سیستم ها می توانند 50 تا 60 درصد راندمان را در محدوده اندازه ذرات بهینه به دست آورند، در حالی که یک اتمایزر نسوز معمولاً برای آلیاژهای با دمای بالا بازده 10 تا 20 درصد را به دست می آورد.

Tiarks گفت: «یکی از اهداف بلندمدت ما این است که آنچه را که طی دهه‌ها اتمی‌سازی آموخته‌ایم و در این کلاس جدید تجهیزات به کار ببریم. ما می‌خواهیم بازده را بهبود بخشیم، استراتژی‌های بازیافت هوشمند را برای پودرهای بزرگ توسعه دهیم و به پیشرفت‌های سطح صنعتی در مهندسی مواد در دمای فوق‌العاده کمک کنیم.»

سیستم جدید نقش آزمایشگاه ایمز را به عنوان پیشرو در متالورژی پودر و مواد حیاتی تقویت می کند. این نیاز دیرینه برای دسترسی به پودرهای باکیفیت مورد استفاده برای توسعه آلیاژهای با دمای بالا برای سیستم های انرژی پیشرفته را برآورده می کند. این قابلیت از محققان حمایت می کند و رقابت تولید و انرژی کشور را تقویت می کند.

بودجه این تجهیزات از طریق برنامه ULTIMATE آژانس پروژه های تحقیقاتی پیشرفته وزارت انرژی (ARPA-E) تامین شد که از توسعه مواد با دمای فوق العاده بالا برای توربین های گاز پشتیبانی می کند.

آزمایشگاه ملی ایمز یک است وزارت انرژی آمریکا دفتر علوم یک آزمایشگاه ملی که توسط دانشگاه ایالتی آیووا اداره می شود. آزمایشگاه ایمز مواد، فناوری ها و راه حل های انرژی نوآورانه ایجاد می کند. ما از تخصص، توانایی های منحصر به فرد و همکاری بین رشته ای خود برای حل مشکلات جهانی استفاده می کنیم.

آزمایشگاه ایمز توسط دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده پشتیبانی می شود. دفتر علوم بزرگترین حامی تحقیقات پایه در علوم فیزیکی در ایالات متحده است و برای رسیدگی به برخی از مهم ترین چالش های زمان ما کار می کند. برای اطلاعات بیشتر لطفا مراجعه فرمایید https://energy.gov/science.